Princip duality vlnové a částicové povahy

S rozvojem fotoelektrického efektu, Cromptonova účinku a Bohrův model atomu, názor, že světlo nebo obecně radiace jsou složeny z částic nebo diskrétních kvant, získával širokou popularitu.
Avšak velmi ustanovený Huygenův princip a výsledky Youngovy dvojité štěrbiny jasně ukázaly, že světlo je vlna a ne proud částic.

Známý interferenční vzor pozorovaný při procházení světla dvojitou štěrbinou byl určitě výsledkem vlnové povahy světla. Toto znovu vyvolalo kontroverzi ohledně povahy světla. V roce 1704 Newton navrhoval částicovou povahu světla svou korpuskulární teorií.

Žádná z těchto dvou teorií nebyla dostatečně schopná vysvětlit všechny jevy spojené se světlem. Vědci proto začali usuzovat, že světlo má jak vlnovou, tak částicovou povahu. V roce 1924 přišel francouzský fyzik Louis de Broglie s teorií. Navrhl, že všechny částice v tomto vesmíru mají také vlnovou povahu, tj. vše na světě, ať už malý foton nebo obrovský slon, má spojenou vlnu, je to jen otázka, zda je vlnová povaha patrná nebo ne. Přiřadil vlnovou délku každé hmotě s hmotností m a hybností p jako

Kde h je Planckova konstanta a p = mv, v je rychlost tělesa.

Vzhledem k obrovské hmotnosti slona má velmi významnou hybnost a tedy velmi malou vlnovou délku, kterou není možné pozorovat. Malé částice, jako jsou elektrony atd., mají velmi malou hmotnost a tedy velmi patrnou vlnovou délku nebo vlnovou povahu. Tato teorie de Broglieho nám také pomáhá vysvětlit diskrétní existenci orbit v Bohrovi modelu atomu. Elektron bude existovat v orbite, pokud jeho délka bude rovna celočíselnému násobku jeho přirozené vlnové délky, pokud nebude schopen dokončit svou vlnovou délku, pak ta orbita neexistuje.

Další vývoj Davissona a Germera difrakce elektronů z krystalu a podobný interferenční vzor získaný po bombardování dvojitou štěrbinou elektrony posílil de Broglieho teorii materiální vlny nebo dvojí přírody vlny a částice.

Comptonův efekt

Při fotoelektrickém efektu světlo dopadá na kov ve formě paprsku částic nazývaných fotony. Energie jednoho fononu přispívá k pracovní funkci energie jednoho elektronu a poskytuje kinetickou energii tomuto emitovanému elektronu. Tyto fotony jsou částicové chování světelné vlny. Sir Albert Einstein navrhl, že světlo je kolektivním efektem obrovského množství energetických balíčků nazývaných fotony, kde každý foton obsahuje energii hf. Kde h je Planckova konstanta a f je frekvence světla. Toto je částicové chování světelné vlny. Částicové chování světelné vlny nebo jiné elektromagnetické vlny lze vysvětlit Comptonovým efektem.

V tomto experimentu byl paprsek rentgenového záření s frekvencí fo a vlnovou délkou λo dopaden na elektron. Po dopadu rentgenového záření na elektron bylo zjištěno, že elektron a dopadající rentgenové záření jsou rozptýleny do dvou různých úhlů vzhledem k ose dopadajícího rentgenového záření. Toto srážení splňuje princip zachování energie stejně jako srážení newtonovských částic. Bylo zjištěno, že po srážení se elektron zrychlil v určitém směru a dopadající rentgenové záření bylo odraženo do jiného směru a bylo také pozorováno, že odražený paprsek má jinou frekvenci a vlnovou délku než dopadající rentgenové záření. Jelikož se energie fotonu mění s frekvencí, lze usoudit, že dopadající rentgenové záření ztratilo energii během srážení a frekvence odraženého paprsku je vždy nižší než frekvence dopadajícího rentgenového záření. Tato ztracená energie rentgenového fotonu přispívá k kinetické energii pro pohyb elektronu. Toto srážení rentgenového záření nebo jeho fotonu a elektronu je podobné srážení newtonovských částic, jako jsou bilárenské míčky.

Energie fotonu je dána

Proto lze dokázat hybnost fotonu jako

Což lze zapsat jako,

Ze vzorce (1) lze usoudit, že elektromagnetická vlna s vlnovou délkou λ bude mít foton s hybností p.
Ze vzorce (2) lze usoudit, že částice s hybností p je spojena s vlnovou délkou λ. To znamená, že vlna má částicové charakteristiky, pohyb částice také vykazuje vlnové chování.

Jak jsme již řekli, tento závěr byl poprvé uveden De Broglieem a proto se to označuje jako De Broglieho hypotéza. Protože vlnová délka pohybující se částice je vyjádřena jako

Kde p je hybnost, h je Planckova konstanta a vlnová délka λ se označuje jako De Broglieho vlnová délka. De Broglie vysvětlil, že když elektrony obíhají jádro, budou mít také vlnové chování spolu s jejich částicovými charakteristikami.

Davissonův a Germerův experiment

Vlnová povaha elektronu může být prokázána a stanovena mnoha různými způsoby, ale nejpopulárnějším experimentem je Davissonův a Germerův experiment v roce 1927. V tomto experimentu použili paprsek zrychlených elektronů, který normálně dopadá na povrch bloku niklu. Pozorovali vzorec rozptýlených elektronů po dopadu na blok niklu. Pro tento účel použili detektor hustoty elektronů. Ačkoli bylo očekáváno, že elektron by měl být rozptýlen po srážce v různých úhlech vzhledem k ose dopadajícího paprsku elektronů, v samotném experimentu bylo zjištěno, že hustota rozptýlených elektronů byla větší v určitých úhlech než v jiných. Toto úhlové rozdělení rozptýlených elektronů je velmi podobné interferenci světelné difrakce. Tento experiment tedy jasně ukazuje existenci dvojí přírody vlny a částice elektronů. Stejný princip lze uplatnit i na protony a neutrony.

Prohlášení: Respektujte původ, dobaře články jsou hodné zdieľania, ak dojde k porušeniu autorských práv, prosím, kontaktujte nás na jejich odstránenie.